การคำนวณหาจำนวนหลุมอุกกาบาตขนาดใหญ่

เมื่อหนังสือ Sidereus nuncius (สารจากสรวงสวรรค์: The Celestial Message) ที่มีความหนา 60 หน้าของ Galileo Galilei ออกมาปรากฎในบรรณโลกเมื่อเดือนมีนาคม ปี 1610 (ตรงกับรัชสมัยสมเด็จพระเอกาทศรถ) ผู้อ่านทุกคนได้ตกตะลึงเมื่อประจักษ์ว่า กล้องโทรทรรศน์ที่ Galileo สร้างได้ช่วยให้มนุษย์เห็นดาวฤกษ์ เพิ่มจำนวนจากเดิมที่มองด้วยตาเปล่าเห็นประมาณ 10 เท่า เห็นรายละเอียดของทางช้างเผือกว่าประกอบด้วยดาวฤกษ์ใหญ่น้อยจำนวนมาก เห็นดวงจันทร์ 4 ดวงของดาวพฤหัสบดี จากเดิมที่เคยเห็นเพียงแค่ดวงเดียว คือ ดวงจันทร์ของโลก เห็นผิวของดวงจันทร์เป็นภูเขา ที่ราบและหุบเหวเหมือนที่โลกมี เห็นข้างขึ้นข้างแรมของดาวศุกร์ ซึ่งแสดงว่าดาวศุกร์โคจรรอบดวงอาทิตย์มิใช่รอบโลก ดังที่ทุกคนในสมัยนั้นคิด และเห็นจุดบนดวงอาทิตย์ ซึ่งแสดงให้เห็น ผลงานที่เป็นมลทินของพระเจ้าในการสร้างจักรวาล อีกทั้งได้เห็นว่าดาวเสาร์มิได้มีลักษณะกลมเหมือนดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ

เพราะจุดประสงค์ของ Galileo ในการเขียนหนังสือครั้งนั้นคือให้เพื่อนๆ ในวงวิชาการที่เมือง Florence ได้อ่าน ดังนั้น จึงเขียนหน้าแรกๆ ของหนังสือเป็นภาษาอิตาเลียน แต่เมื่อได้เห็นดวงจันทร์ 4 ดวงโคจรรอบดาวพฤหัสบดี แทนที่จะโคจรรอบโลก การพบความจริงที่ขัดแย้งกับคำสอนของ Ptolemy ทำให้ Galileo ตระหนักในทันทีว่า นี่คือ การค้นพบที่ยิ่งใหญ่ ดังนั้น Galileo จึงเขียนตำราต่อเป็นภาษาละตินเพื่อให้ผู้คนในโลกภายนอกได้รับรู้ด้วย และเพื่อให้การสังเกตเห็นเป็นที่ยอมรับของสังคมในวงกว้าง Galileo ได้ให้กล้องโทรทรรศน์ที่ตนสร้างแก่ขุนนางชั้นสูงเพื่อใช้ดูด้วยตนเอง โดยคาดหวังว่าจะได้รับคำชื่นชม ซึ่งก็เป็นจริง เพราะทุกคนได้เปรียบเทียบ Galileo ว่ายิ่งใหญ่กว่า Christopher Columbus เพราะได้พบดินแดนใหม่บนสวรรค์ ในขณะที่ Columbus พบดินแดนใหม่บนโลก

ความจริง Galileo มิได้เป็นบุคคลแรกที่สำรวจผิวดวงจันทร์โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ ในปี 1609 ปราชญ์อังกฤษคนหนึ่งชื่อ Thomas Herriot ได้ใช้กล้องที่นักประดิษฐ์ชาวดัทซ์ชื่อ Hans Lippershey สร้างในการส่องดูผิวของดวงจันทร์ จากนั้นก็ได้วาดภาพสเก็ตซ์ของผิวดวงจันทร์อย่างหยาบๆ Harriot จึงได้ชื่อว่าเป็นนักดาราศาสตร์ที่ศึกษาดวงจันทร์เป็นคนแรกก่อน Galileo ประมาณ 4 เดือน และยังเป็นคนที่เชื่อว่า บนดวงจันทร์มีมหาสมุทรและฝั่งทะเล รวมถึงมีภูเขาและหุบเหวเหมือนโลกด้วย

แล้วเหตุใดโลกจึงไม่ได้ยกย่อง Harriot แต่กลับยกย่อง Galileo แทน

นักประวัติดาราศาสตร์สันนิษฐานว่าคงเป็นเพราะ Harriot มิได้เผยแพร่ผลงานที่พบให้นักดาราศาสตร์คนอื่นทราบ ดังนั้นการไม่เผยแพร่ใดๆ เกี่ยวกับสิ่งที่เห็น จึงเป็นเรื่องที่ไร้หลักฐานสนับสนุน เหตุการณ์นี้ทำให้นักประวัติวิทยาศาสตร์หลายคนคิดต่อว่า การที่ Harriot นิ่งเงียบ และไม่แสวงหาชื่อเสียงใดๆ คงเพราะตนเป็นคนที่มีฐานะดี จึงไม่ต้องการจะหารายได้อะไรอีก ในขณะที่ Galileo มีฐานะไม่สู้ดีนัก จึงต้องต่อสู้กับคนรอบข้างเพื่อจะได้มีที่ยืนในสังคมวิชาการ และอีกเหตุผลหนึ่งทีทำให้ Harriot เป็นนักดาราศาสตร์ที่โลกลืมคือ เจ้านายผู้อุปถัมภ์ Harriot ในเวลานั้นได้ถูกศาลพิพากษาตัดสินจำคุกที่ Tower of London การจองจำของนายเช่นนี้คงทำให้ Harriot ไม่ต้องการเล่าแจ้งสิ่งที่ตนพบให้โลกภายนอกรู้ เพราะรู้ว่าจะสร้างปัญหาคือสังคมไม่ยอมรับสิ่งที่ตนพบ และอาจนำ Harriot ขึ้นตะแลงแกงเหมือนเจ้านายก็เป็นได้

ถึงวันนี้ผลงานสเก็ตซ์ภาพของ Harriot ถูกเก็บอยู่ที่พิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ในกรุงลอนดอน

หลังจากที่เวลาได่ผ่านไป 400 ปี นักดาราศาสตร์ปัจจุบันซึ่งมีกล้องโทรทรรศน์ที่มีประสิทธิภาพมากกว่ากล้องที่ Galileo ใช้ประมาณล้านล้านเท่า ได้ใช้กล้องในการสำรวจจนพบความจริงเกี่ยวกับสุริยจักรวาลที่ทำให้เรารู้และเข้าใจธรรมชาติของเอกภพดีขึ้นมาก เช่น สุริยจักรวาลถือกำเนิดเมื่อประมาณ 4,500 ล้านปีก่อน การชนกันและรวมกันระหว่างอุกกาบาตขนาดเล็กจำนวนมากทำให้เกิดดาวเคราะห์ขนาดต่างๆ และหลังจากที่ดาวบังเกิดแล้ว ดาวเคราะห์เหล่านี้ก็ยังถูกอุกกาบาต ดาวเคราะห์น้อยและดาวหางจำนวนมากระดมถล่มตลอดเวลา การถูกดาวหางและดาวเคราะห์น้อยที่มีความเร็วสูงพุ่งชนโลก ทำให้สะเก็ดหินที่เกิดจากการพุ่งชนกระเด็นและกระจายไปทั่วผิวโลก เมื่อการพุ่งชนยุติ พลังงานจลน์ของดาวหางและดาวเคราะห์น้อยได้แปรไปเป็นพลังงานความร้อนที่สามารถหลอมหินแข็งในบริเวณที่ถูกชนให้เหลวและระเหิดไปจนทำให้เกิดหลุมขนาดใหญ่เรียกหลุมอุกกาบาต แม้การพุ่งชนจะเกิดขึ้นและสิ้นสุดภายในเวลาไม่นานระดับนาที แต่ผลกระทบด้านธรณีวิทยา และชีววิทยาที่เกิดตามมาได้มีอิทธิพลต่อความเป็นไปของโลกเป็นเวลานานร่วมล้านปี

แต่ความจริงมีว่าหลุมอุกกาบาตแทบทุกหลุมบนโลกไม่สามารถทรงและคงสภาพได้นาน เพราะผิวโลกถูกอิทธิพลของสภาพแวดล้อมรบกวน เช่น การระเบิดของภูเขาไฟ การเกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหว พื้นที่ถูกพายุไซโคลนถล่ม หรือถูกคลื่นสึนามิถาโถมเข้าใส่ หรือบางหลุมก็เคลื่อนที่จมหายไปในทะเล

การศึกษาหลุมอุกกาบาตที่ยังปรากฏอยู่ที่ผิวโลกทำให้นักดาราศาสตร์สามารถคำนวณขนาดและความเร็วของดวงดาวที่พุ่งชนได้ รวมถึงขั้นตอนการถือกำเนิดของหลุมอุกกาบาตด้วย และข้อมูลเหล่านี้ ได้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถล่วงรู้ได้ว่า ในกรณีที่มีดาวหางหรืออุกกาบาตขนาดใหญ่พุ่งชน วิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตบนโลกจะถูกกระทบกระเทือนอย่างไร และการสูญพันธุ์อย่างมหาศาลของสิ่งมีชีวิตจะมีโอกาสเกิดขึ้นได้มากหรือน้อยเพียงใดด้วย

ก่อนปี 1970 นักธรณีวิทยาส่วนใหญ่เคยคิดว่าหลุมอุกกาบาตบนโลกแทบไม่มีความสำคัญใดๆ เลย บางคนยังคิดผิดไปว่า หลุมที่เห็นคือปากปล่องภูเขาไฟที่ดับแล้ว แต่ก็มีหลายคนที่ไม่เชื่อเช่นนั้น Daniel M. Barringer เป็นวิศวกรชาวอเมริกันผู้ได้เสนอแนะว่า หลุมขนาดใหญ่ที่อยู่ใกล้เมือง Flagstaff ในรัฐ Arizona ของสหรัฐฯ เป็นหลุมที่เกิดจากการถูกอุกกาบาตเหล็กพุ่งชน เขาจึงประกาศวางอาชีพเป็นเดิมพันว่า ถ้าใครขุดหลุมนั้นให้ลึกลงไปก็จะพบเหล็กหนักหลายล้านตันที่สามารถนำไปขายได้ Barringer พูดถูกในประเด็นที่ว่า หลุมนั้นเกิดจากการที่โลกถูกอุกกาบาตจากนอกโลกพุ่งชน (หลุมจึงได้ชื่อว่า หลุม Barringer) แต่ผิดในประเด็นที่ว่าจะมีการพบเหล็กในปริมาณมาก

ส่วนในกรณีการถือกำเนิดของหลุมอุกกาบาตบนดวงจันทร์ มนุษย์อวกาศสหรัฐฯ ในโครงการ Apollo เป็นผู้ให้คำตอบ หลังจากที่นักวิทยาศาสตร์ได้วิเคราะห์ตัวอย่างของหินและดินในหลุมอุกกาบาตซึ่งได้นำกลับมายังโลก จนพบว่ามีลักษณะและองค์ประกอบเหมือนหินและดินในหลุมอุกกาบาตบนโลก ดังนั้น โลกและดวงจันทร์จึงต้องได้รับฝนดาวหาง ฝนอุกกาบาต และฝนดาวเคราะห์น้อยห่าเดียวกัน

เพราะหลุมบนโลกที่เกิดจากการถูกอุกกาบาตหรือดาวหางพุ่งชนมักถูกสภาพดินฟ้าอากาศที่แปรปรวนรบกวนจนสึกกร่อน และการเลื่อนตัวของเปลือกโลกได้ลบเลือนร่องรอยการชนไปจนแทบไม่เห็นอะไร แต่บนดวงจันทร์ซึ่งไม่มีน้ำ ไม่มีพายุ ลม ไม่มีอากาศ และแทบไม่มีการเคลื่อนตัวของเปลือกดาวเลย นักดาราศาสตร์จึงเห็นซากของหลุมอุกกาบาตอยู่เต็มไปหมด ทั้งบนผิวด้านที่หันเข้าหาโลก และด้านที่หันหนีออกจากโลก

ในเมื่อโลกและดวงจันทร์ถูกถล่มด้วยฝนอุกกาบาต ฝนดาวหาง และฝนดาวเคราะห์น้อยเดียวกัน ดังนั้น หลุมอุกกาบาตที่ปรากฏบนดวงจันทร์จึงเป็นหลักฐานที่บอกได้ดีว่า ถ้าสภาพดินฟ้าอากาศไม่แปรปรวน โลกก็น่าจะมีหลุมอุกกาบาตจำนวนมากให้เห็นเช่นกัน

ในวารสาร Science หน้า 253 ฉบับที่ 363 ประจำวันที่ 18 มกราคม ศกนี้ S. Mazrouei และคณะได้รายงานว่า ภาพถ่ายโดยดาวเทียมที่สหรัฐฯ ส่งไปโคจรรอบดวงจันทร์ (Lunar Reconnaissance Orbiter) ซึ่งใช้รังสี infrared ในการบันทึกภาพของหลุมอุกกาบาตที่เกิด “ใหม่” (คือมีอายุยังน้อย) บนดวงจันทร์ได้พบว่า ในช่วงเวลา 500 ล้านปีที่ผ่านมา อัตราการถล่มผิวดวงจันทร์โดยอุกกาบาตได้เพิ่มขึ้นมากอย่างผิดสังเกต

โดยทั่วไปเหตุการณ์ดาวเคราะห์ถูกอุกกาบาตพุ่งชนอย่างรุนแรงมักจะเกิดอย่างไม่สม่ำเสมอ เช่น ในบางเวลาก็บ่อย แต่ในบางเวลาก็เว้นช่วงห่างนานมาก การวิเคราะห์ก้อนหินก้อนแรกบนโลก (ซึ่งถือกำเนิดเมื่อ 4,000 ล้านปีก่อน) ที่พบใน Greenland กับ Canada ไม่ได้แสดงร่องรอยว่าโลกถูกกระสุนอุกกาบาตพุ่งชนเป็นจำนวนมากเลย

แต่ในเวลา 20 ปีที่ผ่านมานี้ นักดาราศาสตร์ นักธรณีวิทยา และนักวิทยาศาสตร์ที่สนใจดาวเคราะห์ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์ และดาวเทียมที่ถูกส่งไปโคจรรอบดาวพุธ ดาวศุกร์ ดาวอังคาร ดาวเคราะห์น้อย รวมถึงที่โคจรผ่านดวงจันทร์ต่างๆ ของดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัส กับดาวเนปจูน ข้อมูลที่ถูกส่งกลับโลกแสดงให้เห็นว่าผิวดาวพุธและดาวอังคารถูกปกคลุมด้วยหลุมอุกกาบาตมากมายเช่นกัน บางหลุมมีขนาดใหญ่ จนสามารถมีหลุมอุกกาบาตขนาดเล็กแฝงอยู่ภายใน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าหลุมนั้นถูกอุกกาบาตชนซ้ำ

ความยากลำบากในการระบุว่าร่องรอยที่เห็นว่าเป็นหลุมอุกกาบาตจริงๆ หรือเป็นหลุมที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของดินฟ้าอากาศ หรือเกิดจากการระเบิดของภูเขาไฟได้ทำให้นักดาราศาสตร์ต้องตั้งเกณฑ์การพิจารณา และถ้าโชคดีในบริเวณใกล้หลุมมีชิ้นส่วนของอุกกาบาตตกค้างหลงเหลืออยู่ นั่นนับเป็นหลักฐานที่ดีมาก ผลการสำรวจถึงปี 2018 แสดงให้เห็นว่า โลกมีหลุมอุกกาบาตทั้งหมด 190 หลุม และแทบทุกหลุมมีอายุน้อยกว่า 2,000 ล้านปี ส่วนบนดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ การเปลี่ยนแปลงสภาพของหลุมอุกกาบาตมิได้เกิดขึ้นมาก หรือบ่อยเท่าโลก การสำรวจผิวดวงจันทร์ของโลกอย่างละเอียด ทำให้รู้ว่าตลอดเวลา 3,000 ล้านปีที่ผ่านมานี้ ผิวของดวงจันทร์แทบไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ ทางธรณีวิทยาอย่างขนานใหญ่ Mazrouei ได้ใช้ภาพถ่ายดาวเทียมวิเคราะห์การพุ่งชนของอุกกาบาตขนาดใหญ่ หรือดาวเคราะห์น้อยที่พุ่งชนดวงจันทร์/พื้นที่ผิวดวงจันทร์ทั้งหมด จนทำให้เกิดหลุมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวต่างๆ กัน โดยได้คาดการณ์ว่าตัวเลขที่ได้น่าจะเป็นตัวเลขที่ต่ำกว่าจำนวนอุกกาบาตที่พุ่งชนโลกจริง เพราะโลกมีแรงโน้มถ่วงมากกว่าดวงจันทร์จึงสามารถดึงดูดฝนอุกกาบาตได้มากกว่า

ข้อมูลที่ได้แสดงให้เห็นว่าโลกน่าจะมีหลุมอุกกาบาตที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวตั้งแต่ 1 ถึง 6 กิโลเมตรอย่างน้อย 90 หลุม และที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 250 เมตรถึง 1 กิโลเมตร เป็นจำนวนกว่า 250 หลุม ส่วนหลุมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวกว่า 6 กิโลเมตร และมีอายุตั้งแต่ 290-650 ล้านปีนั้นกลับไม่เห็นเลย เพราะในช่วงเวลานั้นผิวโลกถูกปกคลุมด้วยน้ำแข็ง

กระนั้นข้อมูลที่ได้เกี่ยวกับหลุมก็ยังไม่สมบูรณ์ เพราะนักธรณีวิทยายังไม่พบสะเก็ดอุกกาบาตที่เกิดหลังการชน เหมือนดังที่มีการพบหินดึกดำบรรพ์ อายุ 3,200 -3,470 ล้านปีใน South Africa และ Australia

ณ วันนี้ หลุมอุกกาบาตบนโลกที่มีอายุมากที่สุดอยู่ที่เมือง Vredefort ในประเทศแอฟริกาใต้ หลุมนี้มีอายุ 2,020 ล้านปี และอีก 1,000 ล้านปีต่อมา อัตราการพุ่งชนโลกของอุกกาบาตก็ได้ลดจำนวนลงมาก แล้วอัตราการพุ่งชนก็ได้เพิ่มขึ้นอีก จนกระทั่งถึงเมื่อ 200 ล้านปีก่อน การพุ่งชนจึงหยุด

เพราะเหตุใด นี่เป็นคำถามที่ยังไม่มีคำตอบ

อ่านเพิ่มเติมจาก Incoming Or, Why We Should Stop Worrying and Learn to Love the Meteorite โดย Ted Nield จัดพิมพ์โดย Granta ปี 2011

สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์